平行板电容器电容演示仪的创新与自制

(重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 401331)

1 设计思路

将电子科技制作——调频无线话筒装置中RLC振荡电路的电容放大为直观的平行板电容器,通过改变平行板电容器的参数,观察收音机中音频的变化情况,从而来判断电容是否改变．如果电容的某些参数改变的时候电容也发生了改变,就可以初步提出猜想,并继续进行实验探究．

2 演示仪结构与制作

2.1 平行板电容器电容演示仪基本结构

本装置是由3个部分组成,分别是:平行板电容器、调频无线话筒自制电子积木电路板、全波段调频收音机,CAD图如图1所示,实物图如图2所示．

图1 平行板电容器电容演示仪CAD图

图2 平行板电容器演示仪实物图

2.2演示仪的制作

(1) 平行板电容器部分是市售的平行板电容器,网络或者实验用品商店均可以购买到,主要结构是两个直径为220 mm的金属圆盘作为两个极板；圆盘分别由绝缘有机玻璃作为支撑并连接底座；空气作为绝缘电介质．

(2) 调频无线话筒自制电子积木电路板部分,首先根据调频无线话筒电路图(如图4所示)通过Altium designer软件画出PCB电路板,如图3所示,转印腐蚀到单面覆铜板上,根据表1中的元件信息,将对应位置的电路元件焊接．

图3 调频无线话筒PCB图

元件焊接工作完成后,接下来就是对于电路的调试:将一段音频放在驻极话筒附近,打开装置的开关然后打开全波段调频收音机．旋转收音机的调谐数字旋钮,进行搜台,直到收音机中传出声音为止．如果在收音机的整个频段(即88-108MHz)仍搜不到声音,则可以尝试调整振荡线圈的L的线圈间距,若调整线圈的松紧仍无奏效,则将L取下,调整线圈的匝数,重新焊上后继续上述调整．[3]

表1 元件信息

(3) 全波段调频收音机也是采用市售的半导体收音机,采用这样的收音机可以通过手动调整频率收到“调频无线话筒”所发出的信号,同时不同长度的波段也可以进行调整增加了演示仪的成功性．

本教具具有现象明显,构思独特,应用性强,直观易懂,取材于生活等的特点．

3 演示仪原理

3.1 平行板电容器

根据平行板电容器的电容的决定式,当平行板电容器两极板间是真空时,电容C与板间距d、半间正对面积S的关系为

(1)

当两极板间充满同一种介质时,平行板电容器的电容增大为真空时的某一个倍数,这个倍数与电介质材料的绝缘性能有关,倍数越大电介质材料的绝缘性能就越好,物理学上把这个倍数叫做电介质的相对介电常数,用字母εr表示．当两极板间充满同一种介质时,电容增大为真空时的εr倍，则

(2)

可知平行板电容器的电容与极板的板间距离、正对面积以及电介质的材料有关．所以可以通过改变这3个量来改变平行板电容器的电容．

3.2 调频无线话筒自制电子积木电路板

如图4是调频无线话筒的电路图,其中① MIC是驻极体话筒,其作用是感应微弱的声波振动,并输出跟声波变化规律一样的电信号；② C1和L组成并联谐振回路,起到调节振荡频率的作用；③ C2是高频信号输出耦合电阻,目的是让高频数字信号变成无线电波发射出去．[4]通过改变C1电容的大小、线圈L的直径、间距、匝数以及粗细,均可改变发射频率,[4]本演示仪将贴片电容器C1放大成可以调节电容大小的平行板电容器,通过改变极板的位置以及电介质来改变电容的大小,进而实现频率的改变．

图4 调频无线话筒电路图

3.3 全波段调频收音机

无线调频话筒中的音频信号经过天线发射到外界环境中,收音机会接收到附近的声音信号,在收音机的整个频段(即88-108 MHZ)范围内手动调台,如果收不到声音,可以通过调节线圈L的各个参数或者调整平行板电容器C1的电容进行调试收听．

4 演示与操作

将一段音频放到驻极话筒的附近,打开调频无线话筒的开关,调频信号就会通过天线辐射出去,收音机接收到信号后就可以将这段音频播放出来．在实验演示的过程中,可以先保留电路板中的元件,将整个装置的效果演示给学生看以后,再将很小的贴片电容C1置换成直观的放大的平行板电容器．刚连接时,收音机中音频变得很不清晰,这时再分别改变平行板电容器两极板的板间距离d,正对面积S以及在两个极板之间放入有机玻璃板(更换电介质),都可以听到在变化的过程中音频的清晰程度在不断变化,说明平行板电容器的电容在不断变化．实验演示操作如图5所示.

(a) 改变板间距离d

(b) 改变正对面积S

从而可以引导学生进行初步猜想:平行板电容器的电容大小与极板的板间距离d,正对面积S,以及电介质的材料有关．

5 应用与展望

该装置可以作为引入实验应用在演示“电容器的电容”这一节“平行板电容器的电容”部分的教学中.

电容是一个很抽象的电学元件,虽然生活中很常见,但是学生接触的机会却很少,本演示仪可以吸引学生的注意力,将物理教学与生活中一些常见的物品联系起来,体现物理与生活的理念．同时在本节课的探究实验教学中,对于提出猜想的部分,学生基于已经学习的知识无法进行直观的猜想,通过这个演示实验可以让学生通过自己观察实验现象,提出初步的猜想,有理有据．